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http://ciqa.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1025/677| Síntesis y caracterización de polímeros conjugados derivados del 3,6- carbazol para su uso como capa transportadora de huecos en celdas solares de perovskitas p-i-n planas. | |
| Daniel Canseco Caballero | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución-NoComercial-SinDerivadas | |
| Doctorado en tecnología de polímeros | |
| La capacidad para ajustar sus propiedades optoelectrónicas desde la síntesis es una de las características de los polímeros conjugados que los hace atractivos para su aplicación como capa transportadora de huecos (HTL) en celdas solares a base de perovskitas (CSP). Sin embargo, su naturaleza hidrófoba, sumado a la característica hidrófila de la perovskita representa una de las principales limitantes para la fabricación de CSP p-i-n planas con un polímero conjugado como semiconductor tipo p. En este trabajo se reporta la síntesis y caracterización de una familia de nuevos polímeros conjugados alternando las unidades 3,6-carbazol (Cz) y benzoditiofeno (BDT) mediante el acoplamiento de Stille catalizado por paladio. Con la intención de evaluar las variaciones en las propiedades optoelectrónicas derivadas de la organización en estado sólido se modificaron los grupos laterales en la posición N de las unidades Cz a través de la incorporación de cadenas alifáticas ramificadas o lineales, así como una cadena de dietilenglicol (EG). Los polímeros así obtenidos se denominan PCz, PCzOH y PCzEGOH, respectivamente. Además, con la finalidad de evaluar impacto de los grupos funcionales terminales en la adherencia de la perovskita CH3NH3PbI3 sobre las HTL se incorporó un grupo dimetilamina terminal (DMA) en las cadenas laterales de los polímeros conjugados PCzOH y PCzEGOH, etiquetados como PCZDMA y PCzEGDMA. Del análisis por cromatografía de permeación en gel (GPC) y rayos X, se observó que si bien el crecimiento de la cadena (Mw=2-7.7 kg/mol) se encuentra influenciado por el volumen y solubilidad del sustituyente, ni el ordenamiento tipo lamelar, ni el apilamiento π- π (0.40 -0.41 nm) están relacionados con la naturaleza del mismo. No obstante, en película delgada los poli(carbazoles) sintetizados exhiben propiedades ópticas (banda prohibida directa alrededor de 2.1 eV) y morfológicas (policristalina, asociada a un ordenamiento preferencial face on) similares. Mientras que la posición del nivel HOMO, determinada mediante voltametría cíclica, es afectada significativamente al pasar de una cadena alifática lineal (-5.38 eV) a una cadena alifática ramificada (-5.62 eV). Así mismo, se reporta el depósito de las películas delgadas de perovskita a partir de dos métodos en solución, denominados MAPI y MAPI-IEP, correspondientes al depósito en un solo paso y al depósito secuencial, respectivamente. En general, aunque ambos métodos permiten la obtención de películas delgadas con una microestructura policristalina asociada a la fase tetragonal, las diferencias morfológicas entre estas condicionan el desempeño fotovoltaico de los dispositivos (PCE=1.35 vs 3.29 %; VOC= 472 vs 801 mV; JSC= 8.16 vs 11.05; MAPI vs MAPI-IEP con PEDOT:PSS como HTL; PC61BM como ETL). En particular, para MAPI se observaron películas con microestructuras tipo aguja distribuidas en uniformemente en el sustrato, y cuyo tamaño se encuentra relacionado directamente con los parámetros de depósito como volumen de la solución precursora, naturaleza y temperatura del sustrato, con una temperatura critica del sustrato, alrededor de 90°C, en la que ocurre un cambio sensible en la morfología de las estructuras policristalinas. Por otro lado, el depósito secuencial (MAPI-IEP), permite obtener una película policristalina continua y uniforme, con valores de rugosidad bajos. Finalmente, se reporta la fabricaron y caracterización CSP p-i-n planas con los poli(carbazoles) sintetizados y los polímeros comerciales (PEDOT:PSS y P3HT) como HTL y MAPI-IEP como material fotoactivo. Se observó que la incorporación de sustituyentes polares -EG y DMA- en los polímeros PCzDMA, PCzEGOH y PCzEGDMA, mejora significativamente la adherencia de la perovskita, permitiendo su depósito directo sobre la película polimérica, mientras que para los polímeros con cadenas laterales no polares (PCz y PCzOH) fue necesaria la incorporación de un compatibilizante (PFN-DOF). En general, los dispositivos con poli(carbazoles) como HTL-excepto, PCz (948 mV)- exhibieron un VOC mayor que aquellos con los polímeros comerciales [1035-1079 mV vs 983 mV para PEDOT:PSS y 891 mV para P3HT ], indicio de la supresión de pérdidas por recombinaciones no radiativas. Debido a que una relación clara entre el desfasamiento del nivel HOMO de la HTL y de la perovskita con el VOC de los dispositivos no fue observada, la supresión de pérdidas no radiativas es asociada la mejor interacción entre la capa transportadora y la película de perovskita. En particular, lo polímeros con grupos polares como EG y OH permitieron obtener eficiencias de conversión cercanas al 11% (PCzOH) y al 10% (PCzEGOH), mientras que con el PCzDMA solo fue posible obtener una PCE alrededor de 5 %, lo cual es atribuido a la formación de una barrera de potencial de alrededor de 200 mV, además de una morfología –perovskita- con defectos y rugosidad elevada. Demostrando con esto último el impacto de la composición química del polímero en la morfología de la capa activa y su impacto en la eficiencia del dispositivo final. En conclusión, se demostró que la incorporación de grupos polares en las cadenas laterales, comúnmente incorporadas en polímeros conjugados para conferir solubilidad, permite la modulación de la energía superficial de una película polimérica, la cual en CSP p-i-n planas es crucial para obtener una buena interacción entre la HTL y la perovskita, simplificando el proceso de fabricación de los dispositivos, a partir de la interacción electrónica directa entre las distintas capas que conforman el dispositivo. | |
| 2021 | |
| Tesis de doctorado | |
| QUÍMICA | |
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